零價(jià)鐵還原處理卷煙焦油廢水

1 引言

隨著(zhù)我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，煙草行業(yè)得到了快速發(fā)展。卷煙生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢水中含有大量的高濃度有害物質(zhì)，若直接排放到大自然中會(huì )引起嚴重的環(huán)境污染［1］。由我國卷煙廠(chǎng)的廢水排放狀況調查統計可知，卷煙廠(chǎng)廢水排放量為每箱煙0．35 －0．60m3［2-3］。煙草廢水中較難處理的是焦油廢水，其含有大量的有機物，COD、色度較高，可生化性差［4］。目前國內卷煙廠(chǎng)在污水處理方面已采用的處理方法主要有物化處理、生化處理以及兩者相結合的處理等［5-6］。本研究采用零價(jià)鐵還原卷煙焦油廢水，考察了不同因素對處理效果的影響，為該類(lèi)廢水的達標排放提供一條嶄新的途徑。

2 實(shí)驗方法

卷煙焦油廢水的原水樣色度較深，深棕色，氣味大，較粘稠，水樣中的CODCr含量高。將原水樣稀釋約1300 倍(稀釋完后進(jìn)行了實(shí)驗驗證，結果可行) 。稀釋后的水樣呈土色，色度比原水樣小，水樣中的CODCr值大大降低。通過(guò)多組無(wú)針對性實(shí)驗可得大致的實(shí)驗藥品投加量和實(shí)驗條件:廢水中NaCl 質(zhì)量濃度在200 mg /L 左右，鐵粉量在20 g /L 左右，pH值在3 左右，攪拌時(shí)間在30 min 左右。通過(guò)機械攪拌器進(jìn)行攪拌使反應充分進(jìn)行，反應結束后用氫氧化鈉調節水樣的pH 值至10 左右，測定處理后水樣和原水樣的CODCr值，得出CODCr的去除率。

3 結果分析

3．1 鐵粉量的影響

取60mL 稀釋過(guò)的水樣于五個(gè)燒杯中，分別加入相同量的NaCl 0．012 g(200 mg /L) ，各燒杯分別加入0．5 g(8．3 g /L) 、0．8 g(13．3 g /L) 、1．2 g(20g /L) 、1．5 g(25 g /L) 、1．8 g(30 g /L) 鐵粉，調節廢水pH 值均為3，攪拌30 min 后測定各水樣CODCr值，結果見(jiàn)圖1。

由上圖可知，最佳鐵粉量為1．2 g(20g/L) 。不同量的零價(jià)鐵與相同量的鹽酸反應，反應的程度會(huì )有所區別。零價(jià)鐵過(guò)少，與鹽酸反應不充分，鹽酸有剩余; 零價(jià)鐵過(guò)多，與鹽酸反應過(guò)分，零價(jià)鐵有剩余，所以當零價(jià)鐵與鹽酸的反應較完全的時(shí)候，兩者中任意一方的剩余量為最低，化學(xué)反應最佳，反應效果最好。

3．2 pH 值對CODCr去除率的影響

取60mL 稀釋過(guò)的水樣于五個(gè)燒杯中，分別加入相同量的NaCl 0．012 g(200 mg /L) ，鐵粉量1．2g(20g /L) ，用鹽酸調節溶液的pH 值，使五個(gè)燒杯中溶液的pH 值依次為1，2，3，4，5，攪拌30 min 后測定各水樣CODCr值，結果見(jiàn)圖2。

由上圖可知，最佳pH 值為2。鹽酸過(guò)少，與零價(jià)鐵反應不充分，零價(jià)鐵有剩余; 鹽酸過(guò)多，與零價(jià)鐵反應過(guò)分，鹽酸有剩余，所以當零價(jià)鐵與鹽酸的反應較完全的時(shí)候，兩者中任意一方的剩余量為最低時(shí)，化學(xué)反應最佳，反應效果最好。在上述實(shí)驗中，由CODCr的去除率可知，酸的pH 值為2 為最佳值，即與零價(jià)鐵的反應最充分，最完全。

3．3 氯化鈉投加量對CODCr去除率的影響

取60mL 稀釋過(guò)的水樣于五個(gè)燒杯中，分別加入0．010 g(166．7 mg /L) 、0．012 g(200 mg /L) 、0．015 g (250 mg /L) 、0．018 g (300 mg /L) 、0．020 g(333．3 mg /L) 的氯化鈉，加入相同量的鐵粉量1．2g(20 g /L) ，調節溶液的pH 值為2，攪拌30 min 后測定各水樣CODCr值，結果見(jiàn)圖3。

由上圖可知，最佳氯化鈉的量為0．018 g(300mg /L) 。加入氯化鈉的原因有兩個(gè)，第一是因為氯化鈉在攪拌過(guò)程中作為電解質(zhì)，可以增加溶液的導電性; 第二是由于鐵屑表面會(huì )產(chǎn)生氧化膜，即氧化鐵，所以在酸性條件下，氯化鈉可以與氧化鐵反應，去除鐵屑表面的氧化膜，防止其鈍化，使反應更充分。但是，加入氯化鈉對實(shí)驗也有不良影響，在水樣處理完畢后，用重鉻酸鉀法測量水樣中CODCr值時(shí)，氯化鈉中的氯離子就會(huì )成為干擾離子，對水樣中CODCr的測定有影響。

3．4 攪拌反應時(shí)間對CODCr去除率的影響

取60mL 稀釋過(guò)的水樣于五個(gè)燒杯中，分別加入相同量的NaCl 0．018 g(300 mg /L) ，然鐵粉量1．2g(20 g /L) ，調節溶液的pH 值為2，各燒杯攪拌時(shí)間對分別為30，45，60，75，90 min 后測定各水樣CODCr值，結果見(jiàn)圖4。

由上圖可知，最佳攪拌時(shí)間為75min，通過(guò)攪拌Fe 和水樣充分接觸，水樣中的各種反應也可以充分地進(jìn)行，有利于去除水樣中的有機物。但是，如果攪拌反應時(shí)間太長(cháng)，水樣中發(fā)生的各種反應達到一種平衡，將不再進(jìn)行反應。所以，在系統進(jìn)行了一定時(shí)間的反應以后，CODCr的去除率幾乎不再變化，趨于平穩。

3．5 正交試驗設計

通過(guò)單因素實(shí)驗的數據已經(jīng)找到了各個(gè)因素的最佳值，下面就需要通過(guò)正交試驗來(lái)找出什么水平的組合是最好的，能使去除率達到最大。正交試驗是研究多因素多水平的一種設計方法。

通過(guò)上述實(shí)驗數據已得出了四個(gè)因素的最佳值，把這四個(gè)因素作為變量，以最佳值為中心數，上下各再取一數值，做一個(gè)四因素三水平的正交試驗。

由上表可知，該實(shí)驗的最佳組合條件為氯化鈉量為0．024 g(400 mg /L) ，鐵粉量為1．8 g(30 g /L) ，pH 值為2，攪拌時(shí)間為75 min，在該條件下，CODCr的去除率達到最大值。

氯化鈉的量的極值為6．6，鐵粉量的極值為9．5，pH 的極值為3．6，攪拌時(shí)間的極值為10．2，所以攪拌時(shí)間對實(shí)驗的影響最大，鐵粉量次之，氯化鈉的量第三，pH 值影響最小。在實(shí)驗中存在著(zhù)誤差，有人為誤差和儀器誤差，人為誤差主要是因為在調節溶液pH 值時(shí)，由于實(shí)驗條件有限，就用pH 試紙代替pH 計，在測量過(guò)程中，通過(guò)肉眼與試紙的對比來(lái)確定pH 值，所以可能存在同一pH 值下鹽酸的量加多或加少的情況，這時(shí)攪拌時(shí)間的影響就會(huì )增大，即鐵與鹽酸的反應是否充分。

在實(shí)驗中，加入鐵粉的同時(shí)也加入了氯化鈉，這是因為氯化鈉在攪拌過(guò)程中作為電解質(zhì)，可以增加溶液的導電性，同時(shí)，由于鐵屑表面會(huì )產(chǎn)生氧化膜，即氧化鐵，所以在酸性條件下，氯化鈉可以與氧化鐵反應，去除鐵屑表面的氧化膜，防止其鈍化，使反應更充分。

理論上，當用堿調節溶液的pH 時(shí)，最后溶液應呈現紅棕色，因為Fe(OH)3是紅棕色沉淀，但本實(shí)驗的現象是溶液為灰綠色沉淀，原因是該灰綠色沉淀是Fe(OH)2和Fe(OH)3的混合物，是過(guò)度顏色，為反應的中間產(chǎn)物，之所以會(huì )出現這樣的過(guò)渡色，是因為氫氧化鈉過(guò)量。在實(shí)驗過(guò)程中，調節堿的pH值是通過(guò)添加氫氧化鈉來(lái)實(shí)現的，因為是用pH 試紙來(lái)調節堿的pH 值，所以人為誤差造成氫氧化鈉過(guò)量，故溶液中多為灰綠色的絮狀物。具體參見(jiàn)http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

由上述正交試驗的數據分析可得最佳組合條件為氯化鈉量為0．024 g(400 mg /L) ，鐵粉量為1．8 g(30 g /L) ，酸的pH 值為2，攪拌時(shí)間為75 min。得出最佳條件后，為了驗證這是否為最佳條件，在該條件下的CODCr的去除率是否是最高，又做了三組平行的驗證實(shí)驗，見(jiàn)表2。

由表2 可知，最佳組合條件下，CODCr去除率達到最大值，為48．1% (三個(gè)數據的平均值) 。所以，由最終結論可知，氯化鈉量為0．024 g(400 mg /L) ，鐵粉量為1．8 g(30 g /L) ，酸的pH 值為2，攪拌時(shí)間為75 min 為最佳組合呢條件。

4 結論

通過(guò)正交試驗，得到可以使CODCr去除率最高的最佳條件是: 氯化鈉量為0．024 g(400 mg /L) ，鐵粉量為1．8 g(30 g /L) ，酸的pH 值為2，攪拌時(shí)間為75 min。在該條件下，焦油廢水的CODCr去除率最高，達到48．1%。

用零價(jià)鐵還原處理水樣之后，水樣的色度大大降低，用肉眼觀(guān)察，與蒸餾水的顏色相當接近，且沒(méi)有任何氣味、沉淀、雜質(zhì)等。從外觀(guān)上以及整個(gè)實(shí)驗的數據來(lái)看，用零價(jià)鐵還原的方法對卷煙焦油廢進(jìn)行預處理是成功的。